本發(fā)明涉及等離子體應(yīng)用技術(shù)和光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種產(chǎn)生不同氣體溫度等離子體光子晶體的方法。

背景技術(shù)：

光子晶體又稱(chēng)光子禁帶材料，是將兩種不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間按一定周期（尺寸在光波長(zhǎng)量級(jí)）排列所形成的一種人造“晶體”結(jié)構(gòu)。光子晶體的介電常數(shù)是空間的周期函數(shù)，若介電系數(shù)對(duì)光子的周期性調(diào)制足夠強(qiáng)，在光子晶體中傳播的光子能量也會(huì)有能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間會(huì)出現(xiàn)光子“禁帶”，頻率落在禁帶中的光子不能在晶體中傳播。光子禁帶的位置和形狀取決于光子晶體中介質(zhì)材料的折射率配比以及不同介電系數(shù)材料的空間比和“晶格”結(jié)構(gòu)等。目前常規(guī)的光子晶體，一旦制作完成后，其光子禁帶位置也就確定，即可選擇的光波段已經(jīng)確定，如果想改變禁帶位置，需要重新制作晶體，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的可調(diào)性控制。

作為一種新型的光子晶體，等離子體光子晶體相比于傳統(tǒng)光子晶體的最大特點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)具有時(shí)空可調(diào)性，進(jìn)而使其相應(yīng)的光子帶隙（bandgap）可調(diào)。人們可以通過(guò)調(diào)節(jié)等離子體光子晶體的晶格常數(shù)、介電常數(shù)、晶格對(duì)稱(chēng)性及時(shí)間周期等，改變其能帶位置和寬度，進(jìn)而使頻率落入該帶隙的光禁止傳播，實(shí)現(xiàn)對(duì)光頻率的選擇和光傳播的控制?；谝陨咸匦?，近年來(lái)等離子體光子晶體在濾波器、等離子體天線、光開(kāi)關(guān)以及等離子體隱身等眾多電磁波控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，受到人們的廣泛關(guān)注。但作為一個(gè)典型的非線性現(xiàn)象，等離子體光子晶體對(duì)實(shí)驗(yàn)條件非常敏感?？刂茀?shù)（氣體成分、氣體壓力、施加電壓和頻率、電極幾何形狀和尺寸等）稍有改變，將會(huì)演變出不同的等離子體光子晶體。也就是說(shuō)，等離子體光子晶體的不穩(wěn)定性不利于未來(lái)的應(yīng)用。

目前，常規(guī)等離子體光子晶體由等離子體斑圖及氣體交替排列構(gòu)成。在先專(zhuān)利zl200610102333.0中實(shí)現(xiàn)了由粗細(xì)等離子體通道及氣體（即未放電區(qū)域處的氣體）自組織形成的等離子體光子晶體；在先專(zhuān)利zl201010523218.7中實(shí)現(xiàn)了由等離子體柱、等離子體片及氣體（對(duì)應(yīng)未放電區(qū)域）形成的等離子體光子晶體。然而，上述專(zhuān)利在形成等離子體光子晶體時(shí)放電氣隙內(nèi)的氣體溫度都相同，現(xiàn)有技術(shù)中尚未見(jiàn)報(bào)道產(chǎn)生不同氣體溫度的等離子體光子晶體。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是提供一種產(chǎn)生不同氣體溫度等離子體光子晶體的方法，以填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)中尚未有產(chǎn)生不同氣體溫度等離子體光子晶體的這一技術(shù)空白。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種產(chǎn)生不同氣體溫度等離子體光子晶體的方法，包括如下步驟：

a、設(shè)置一個(gè)真空反應(yīng)室，并在所述真空反應(yīng)室內(nèi)安裝兩個(gè)水電極，同時(shí)將所述水電極與等離子體發(fā)生電源電連接；

b、在兩個(gè)所述水電極之間設(shè)置一固體邊框，所述固體邊框的厚度為1mm~3mm，優(yōu)選為1mm，所述固體邊框所在平面與兩個(gè)所述水電極的軸心線垂直；在所述固體邊框的內(nèi)部區(qū)域均勻設(shè)置有10*10-20*20個(gè)直徑為1mm的圓形通孔，優(yōu)選的，在固體邊框的內(nèi)部區(qū)域均勻設(shè)置有16*16個(gè)直徑為1mm的圓形通孔；相鄰兩個(gè)通孔之間的間距為1mm，所有通孔構(gòu)成正方形的矩陣式排列的放電間隙；

c、向真空反應(yīng)室內(nèi)通入放電氣體，放電氣體為空氣或空氣與氬氣的混合氣體，調(diào)節(jié)真空反應(yīng)室內(nèi)放電氣體的氣壓為0.1—0.55atm；

d、閉合開(kāi)關(guān)，等離子體發(fā)生電源作用于兩個(gè)所述水電極，即可在兩個(gè)所述水電極間的放電間隙內(nèi)產(chǎn)生等離子體光子晶體，且相鄰兩個(gè)通孔內(nèi)所產(chǎn)生的等離子體光子晶體具有不同的氣體溫度。

優(yōu)選的，所有通孔合圍的區(qū)域?yàn)榉烹妳^(qū)域；所述放電區(qū)域的面積小于所述水電極的截面面積；所述固體邊框的總面積大于所述水電極的截面面積。

本發(fā)明在兩個(gè)水電極之間設(shè)置有特制的固體邊框，在固體邊框的內(nèi)部區(qū)域均勻排布有若干直徑為1mm的圓形通孔，相鄰兩個(gè)通孔之間的最小間距為1mm；所有通孔構(gòu)成正方形的矩陣式排列結(jié)構(gòu)。固體邊框所在平面與兩個(gè)水電極的軸心線垂直；固體邊框內(nèi)部放電區(qū)域面積（即通孔總面積）小于水電極的截面面積，固體邊框總面積大于所述水電極的截面面積。向真空反應(yīng)室內(nèi)通入放電氣體，放電氣體為空氣或空氣與氬氣的混合氣體，調(diào)節(jié)真空反應(yīng)室內(nèi)放電氣體的氣壓為0.1—0.55atm；閉合開(kāi)關(guān)，等離子體發(fā)生電源作用于兩個(gè)水電極，當(dāng)?shù)入x子體發(fā)生電源的電壓達(dá)到氣體擊穿閾值時(shí)，在兩個(gè)水電極間的放電區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生放電絲，且在相鄰的通孔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生不同氣體溫度的等離子體光子晶體。需要說(shuō)明的是，正方形結(jié)構(gòu)的矩陣式通孔中，最外面一圈的通孔因受邊界的影響，因此相鄰?fù)變?nèi)的等離子體光子晶體可能并非具有不同的氣體溫度。由于通孔均勻的排列可以直接方便的對(duì)光束的傳播進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，且這種通孔可使形成的等離子體光子晶體更加穩(wěn)定，在工業(yè)領(lǐng)域中有更廣泛的應(yīng)用前景。

本發(fā)明首次實(shí)現(xiàn)了具有不同氣體溫度的等離子體光子晶體。等離子體光子晶體不但具有光子晶體的帶隙特性和局域特性，還具有時(shí)變可控、反常折射等特性，特別是能夠通過(guò)改變等離子體的參量和外部參數(shù)從而比較容易地對(duì)帶隙的特性進(jìn)行調(diào)控。氣體溫度作為一個(gè)重要的外部參數(shù)，是等離子體光子晶體可調(diào)諧性的一個(gè)重要可控因素。通過(guò)獲得不同氣體溫度而改變帶隙特性的等離子體光子晶體，將是一種對(duì)光傳播選擇性的新調(diào)制方法。本發(fā)明所產(chǎn)生的具有不同氣體溫度的等離子體光子晶體，可增加對(duì)光調(diào)制的選擇方式，無(wú)論是在以后的實(shí)驗(yàn)研究中還是在工業(yè)應(yīng)用上都具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中產(chǎn)生不同氣體溫度等離子體光子晶體所用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中固體邊框的正視圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例2所產(chǎn)生的不同氣體溫度的等離子體發(fā)光斑圖的示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例2中相鄰兩個(gè)通孔內(nèi)氮分子離子的二維轉(zhuǎn)動(dòng)光譜圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例2中相鄰兩個(gè)通孔內(nèi)氮分子離子的三維轉(zhuǎn)動(dòng)光譜圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例3所產(chǎn)生的不同氣體溫度的等離子體發(fā)光斑圖的示意圖。

圖7是本發(fā)明實(shí)施例3中相鄰兩個(gè)通孔內(nèi)氮分子離子的二維轉(zhuǎn)動(dòng)光譜圖。

圖8是本發(fā)明實(shí)施例3中相鄰兩個(gè)通孔內(nèi)氮分子離子的三維轉(zhuǎn)動(dòng)光譜圖。

圖中：1、真空反應(yīng)室，2、水電極，3、玻璃擋片，4、銅環(huán)，5、等離子體發(fā)生電源，6、固體邊框，7、進(jìn)氣口，8、出氣口。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1，產(chǎn)生不同氣體溫度等離子體光子晶體所用的裝置。

如圖1所示，本發(fā)明所用到的裝置具體是：在一個(gè)橫置的圓筒形的真空反應(yīng)室1中對(duì)稱(chēng)設(shè)置兩個(gè)密閉電介質(zhì)容器，在密閉電介質(zhì)容器內(nèi)注水，構(gòu)成兩個(gè)極板相對(duì)的水電極2。兩個(gè)水電極2與真空反應(yīng)室1外的等離子體發(fā)生電源5電連接。本實(shí)施例中，水電極2是由有機(jī)玻璃管通過(guò)在兩端設(shè)置玻璃擋片3封擋而構(gòu)成，在有機(jī)玻璃管內(nèi)注滿水，同時(shí)在有機(jī)玻璃管內(nèi)設(shè)置銅環(huán)4。兩個(gè)銅環(huán)4分別通過(guò)電源線與等離子體發(fā)生電源5的正極和負(fù)極電連接。玻璃擋片3的厚度在1.5mm~5mm之間，作為放電介質(zhì)。在真空反應(yīng)室1的壁體上開(kāi)有進(jìn)氣口7和出氣口8。

在兩個(gè)水電極2之間設(shè)置有固體邊框6，固體邊框6所在平面與兩個(gè)水電極2的軸心線垂直，且固體邊框6的兩個(gè)側(cè)面分別緊貼兩個(gè)水電極2的端面（圖1中固體邊框6與水電極2分離是為了方便觀察）。結(jié)合圖2，固體邊框6的具體結(jié)構(gòu)是：以一個(gè)平板作為固體邊框本體，在固體邊框本體上開(kāi)設(shè)有若干呈矩陣式排列的直徑為1mm的圓形通孔（通孔或稱(chēng)孔隙），這些通孔構(gòu)成放電區(qū)域（或稱(chēng)放電間隙），相鄰兩個(gè)通孔之間的最小間距為1mm。固體邊框上的放電區(qū)域正對(duì)水電極2；放電區(qū)域的面積要小于水電極2的截面面積，而固體邊框的總面積（即固體邊框本體的面積）要大于水電極2的截面面積。

本實(shí)施例中在固體邊框本體上開(kāi)設(shè)有16*16個(gè)圓形通孔。最外側(cè)圓形通孔距固體邊框6邊緣的距離不限，也就是說(shuō)，固體邊框6的邊緣處的形狀不限，可以為圓形，也可以為圖2中的方形，也可以是別的規(guī)則或不規(guī)則形狀等。

固體邊框6的內(nèi)部區(qū)域?qū)蓚€(gè)水電極2間的放電間隙切割成相應(yīng)的大小相等，直徑為1mm的16*16的均勻孔隙，相鄰孔隙的最小間距為1mm。放電間隙正對(duì)兩個(gè)水電極2，且放電間隙面積小于水電極2的橫截面面積（即端面積）。固體邊框6的厚度可以為1mm~3mm。優(yōu)選的，固體邊框6的厚度為1mm。固體邊框6的材料可以為樹(shù)脂材料。

在真空反應(yīng)室1內(nèi)注有放電氣體，放電氣體可以為空氣或空氣和氬氣的混合氣體。放電氣體的氣壓可調(diào)，一般控制放電氣體的氣壓為0.1~0.55個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。等離子體發(fā)生電源5的電壓幅度在3-6.5kv之間，頻率為50~60khz。打開(kāi)等離子體發(fā)生電源5的開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)其電壓到一定值，即可在兩個(gè)水電極2間的放電間隙內(nèi)產(chǎn)生具有不同結(jié)構(gòu)的等離子體斑圖。在相鄰的孔隙內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生不同氣體溫度的等離子體光子晶體。

下面以具體實(shí)施例詳細(xì)介紹本發(fā)明產(chǎn)生不同氣體溫度等離子體光子晶體的過(guò)程。

實(shí)施例2

結(jié)合圖1和圖2，設(shè)置一個(gè)真空反應(yīng)室1，在真空反應(yīng)室1的壁體上開(kāi)設(shè)進(jìn)氣口7和出氣口8，并在真空反應(yīng)室1內(nèi)安裝兩個(gè)極板相對(duì)的水電極2。水電極2由兩邊用玻璃擋片3封住并注滿水的有機(jī)玻璃管組成，并內(nèi)置銅環(huán)4與真空反應(yīng)室1外的等離子體發(fā)生電源5電連接。

在兩個(gè)水電極2之間設(shè)置有厚度為1mm的固體邊框6，固體邊框6為樹(shù)脂材料，其所在平面與兩個(gè)水電極2的軸心線垂直，且兩側(cè)緊貼兩個(gè)水電極2的端面。在固體邊框6的內(nèi)部區(qū)域開(kāi)設(shè)16*16個(gè)直徑為1mm的圓形通孔，且相鄰?fù)字g的最小間距為1mm。固體邊框6內(nèi)部16*16個(gè)圓形通孔構(gòu)成的放電區(qū)域的面積小于水電極2的端面面積，且放電區(qū)域正對(duì)兩個(gè)水電極2。固體邊框6的總面積大于水電極2的端面面積。

通過(guò)進(jìn)氣口7向真空反應(yīng)室1內(nèi)通入放電氣體。具體地，本實(shí)施例中所通入的放電氣體為空氣，放電氣體氣壓p=0.3atm，電壓幅度為4.72kv，放電頻率為51khz。閉合開(kāi)關(guān)，等離子體發(fā)生電源5作用于兩個(gè)水電極2，能夠產(chǎn)生單雙點(diǎn)交替的等離子體發(fā)光斑圖（或稱(chēng)放電絲），如圖3所示。圖3中，除最外側(cè)一圈等離子體發(fā)光斑圖外，內(nèi)部的等離子體發(fā)光斑圖是呈現(xiàn)單點(diǎn)和雙點(diǎn)交替排列結(jié)構(gòu)的，即：相鄰兩個(gè)通孔（或孔隙）內(nèi)的等離子體發(fā)光斑圖結(jié)構(gòu)不同，一個(gè)是單個(gè)的放電絲（對(duì)應(yīng)單點(diǎn)結(jié)構(gòu)），另一個(gè)是兩束放電絲（對(duì)應(yīng)雙點(diǎn)結(jié)構(gòu)）。

采集本實(shí)施例中放電時(shí)相鄰兩個(gè)通孔內(nèi)氮分子離子（n2⁺）的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，所得二維轉(zhuǎn)動(dòng)光譜如圖4所示，所得三維轉(zhuǎn)動(dòng)光譜如圖5所示。圖4和圖5中，s所示曲線對(duì)應(yīng)圖3中單點(diǎn)等離子體發(fā)光斑圖，d所示曲線對(duì)應(yīng)圖3中雙點(diǎn)等離子體發(fā)光斑圖。根據(jù)圖4和圖5中轉(zhuǎn)動(dòng)光譜可測(cè)得s所示曲線對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度約為510k，d所示曲線對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度約為580k。因此，本發(fā)明可產(chǎn)生不同氣體溫度的等離子體光子晶體，且除最外側(cè)一圈通孔外，內(nèi)部的通孔中任意相鄰兩個(gè)通孔內(nèi)的氣體溫度均不同，并呈交替排列結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例3

本實(shí)施例與實(shí)施例2相比，所不同的是：放電氣體為空氣與氬氣的混合氣體，氬氣體積含量為30%，電壓幅度為2.72kv。閉合開(kāi)關(guān)，等離子體發(fā)生電源5作用于兩個(gè)水電極2，能夠產(chǎn)生單雙點(diǎn)交替的等離子體發(fā)光斑圖，如圖6所示。圖6與圖3類(lèi)似，也是除最外側(cè)一圈等離子體發(fā)光斑圖外，內(nèi)部的等離子體發(fā)光斑圖呈現(xiàn)出單點(diǎn)和雙點(diǎn)交替的排列結(jié)構(gòu)，即：相鄰兩個(gè)通孔（或孔隙）內(nèi)的等離子體發(fā)光斑圖結(jié)構(gòu)不同，一個(gè)是單個(gè)的放電絲（對(duì)應(yīng)單點(diǎn)結(jié)構(gòu)），另一個(gè)是兩束放電絲（對(duì)應(yīng)雙點(diǎn)結(jié)構(gòu)）。

采集本實(shí)施例中放電時(shí)相鄰兩個(gè)通孔內(nèi)氮分子離子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，所得二維轉(zhuǎn)動(dòng)光譜如圖7所示，所得三維轉(zhuǎn)動(dòng)光譜如圖8所示。圖7和圖8中，s所示曲線對(duì)應(yīng)圖6中單點(diǎn)等離子體發(fā)光斑圖，d所示曲線對(duì)應(yīng)圖6中雙點(diǎn)等離子體發(fā)光斑圖。根據(jù)圖7和圖8中轉(zhuǎn)動(dòng)光譜可測(cè)得s所示曲線對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度約為420k，d所示曲線對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度約為500k。因此，本實(shí)施例中單點(diǎn)和雙點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的氣體溫度也不同。